EP2421624A1 - Verfahren und vorrichtung zur sorptiven trennung von stoffgemischen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur sorptiven trennung von stoffgemischen

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EP2421624A1
EP2421624A1 EP10719253A EP10719253A EP2421624A1 EP 2421624 A1 EP2421624 A1 EP 2421624A1 EP 10719253 A EP10719253 A EP 10719253A EP 10719253 A EP10719253 A EP 10719253A EP 2421624 A1 EP2421624 A1 EP 2421624A1
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EP
European Patent Office
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tempering
sorption
column
sorptive
sorbent
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Matthias Franzreb
Tobias Müller
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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    • B01D15/00—Separating processes involving the treatment of liquids with solid sorbents; Apparatus therefor
    • B01D15/08—Selective adsorption, e.g. chromatography
    • B01D15/10—Selective adsorption, e.g. chromatography characterised by constructional or operational features
    • B01D15/20—Selective adsorption, e.g. chromatography characterised by constructional or operational features relating to the conditioning of the sorbent material
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D15/3861—Selective adsorption, e.g. chromatography characterised by the separation mechanism involving specific interaction not covered by one or more of groups B01D15/265 and B01D15/30 - B01D15/36, e.g. affinity, ligand exchange or chiral chromatography using an external stimulus
    • B01D15/3876—Selective adsorption, e.g. chromatography characterised by the separation mechanism involving specific interaction not covered by one or more of groups B01D15/265 and B01D15/30 - B01D15/36, e.g. affinity, ligand exchange or chiral chromatography using an external stimulus modifying the temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N30/50—Conditioning of the sorbent material or stationary liquid
    • G01N30/52—Physical parameters
    • G01N30/54—Temperature

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for sop- tiven separation of mixtures, in particular liquid mixtures according to the first and eleventh claim.
  • the cyclically operated sorption is widely used in fixed beds with particulate sorbents in the size range of about 2 to 1000 microns.
  • the sorbents are initially unladen or with a suitable initial loading. If the fixed bed now flows through the solution to be treated, there is a sorption process in which originally dissolved substances (sorptive) bind to the sorbent. In the case of an ion exchange, an amount of another substance that is equivalent in terms of electrical charge is converted into solution.
  • sorptive substances up to a maximum loading, there is an increasing accumulation of sorptive substances on the sorbent particles and thus the formation of a loading front which travels through the fixed bed. If the loading front appears at the outflow of the fixed bed, there is a flow of sorptives through the fixed bed without appreciable sorption. The intake of sorptives through the fixed bed must be stopped.
  • the aforementioned sorption is followed by an elution step in which the bound sorbent is as quantitative as possible, i. is completely removed again from the sorbent particles of the bed.
  • the elution substances used are, for example, highly saline media, concentrated acids, alkalis or organic solvents. However, the elution substances mentioned cause not inconsiderable costs, both in terms of acquisition and disposal.
  • the elution solutions often represent a valuable product that can be used to target the target substance in purified and concentrated form.
  • BEST AGENDA KOfrife contains rierter form.
  • added substances such as salts or imidazole or isopropanol, however, must be removed before further purification often consuming eg by membrane processes or gel filtration again. A continuous sorption process is therefore not feasible.
  • a sorption process must have on an industrial scale a possibility of reversible sorption / desorption of substances. In this case, chemical elution or regeneration substances should be avoided for the aforementioned reasons.
  • Alternative options for switching between sorption and desorption are the use of physical influencing variables, in particular pressure or temperature.
  • a pressure change has only a limited influence on the sorption equilibrium in liquids, so that a technical use of this effect does not appear promising so far.
  • temperature changes in both gases and liquids have a greater or lesser effect on the sorption of substances on solid sorbents.
  • [1] discloses cyclic sorption processes using a temperature change as a driving force for partial water desalting elution.
  • ion exchange resins are used.
  • the object of the invention is to propose a device and a method for the sorptive separation of liquid mixtures with a temperature-induced sorption and desorption tion process with low energy consumption and maximum concentration of a target component.
  • the basic idea of the invention is not to supply the energy to be supplied for a temperature-dependent desorption to the entire sorption surface of the sorbents at the same time. Rather, tempering agents are proposed, which act only on a portion of the sorbent surface.
  • the effective range of the tempering agents i. the area on the sorption surface on which a temperature control by the tempering takes place, thus comprises only a portion of the sorbent surface.
  • the possibility of the serial action of the effective range of said tempering means on the entire sorption surface is provided.
  • means are provided for a shift of the effective range over the entire sorption surface.
  • the Effective range is preferably cyclically, ie repeatedly moved over the extension of the entire sorption according to a setêtSchema. This allows, for example, a cyclically recurring serial sorption and / or desorption on the entire sorption surface.
  • the temperature is only in the range of influence of the tempering agent, i. in the effective range directly tempered by this, i. subjected to a temperature change.
  • the temperature is thereby influenced by heat transfer within the thermoresponsive sorbents and by the surrounding liquid. Heat transfer always takes place with thermal gradients. It causes e.g. after a heating carried out for a desorption, an accelerated re-cooling of a part of the fixed-bed column which has been heated up for desorption by surrounding sorbents and liquid. After this accelerated cooling, preferably without the influence of or a further tempering agent, this part is immediately available again for a renewed sorption without a renewed supply of additional energy. Due to the flow rate of the substance mixture, the heat derived from the mixture of substances is transported in the direction of the process and thereby absorbed by the surrounding sorbents and, when they are heated up, no longer has to be applied by the temperature control agents.
  • thermoresponsive sorbents in which sorption takes place at higher temperatures than desorption, after a desorption for cooling as a tempering accelerated reheating a heated for desorption part of the fixed bed column by the surrounding sorbents and liquid.
  • thermoresponsive materials are understood to mean sorbent materials which have bound to their surface special polymers. ben, which undergo a strong conformational change within a narrow temperature interval.
  • thermoresponsive sorbent for a sorptive separation of liquid mixtures are, for example, particles having a surface functionalization of poly (N-isopropylacrylamide) (poly-NIPAAm). Below a temperature of about 30 0 C is poly-NIPAAm extended polymer chains, above temperatures of about 35 0 C, however, collapse the chains to compact Knaul, with pronounced hydrophobic character.
  • the transition temperature of about 32 ° C is referred to as LCST (lower critical solution temperature).
  • thermoresponsive sorbents The change in conformity and thus the transition from adsorption to desorption of thermoresponsive sorbents takes place advantageously in a narrow temperature range, in the case mentioned between 30 and 35 0 C. Consequently, the range in which a temperature-induced sorption / desorption occurs, in thermoresponsive sorbents does not extend to the well known in conventional sorbents significantly larger temperature intervals, which may be 100 0 C and more especially for gases. For initiation and performance of desorption or sorption, only small temperature changes are required in thermoresponsive sorbents, and thus advantageously not only a significantly reduced expenditure of energy, but also a lesser expenditure of time.
  • a poly-NIPAAm-functionalized sorbent particle is brought into contact with, for example, a protein solution, binding of hydrophobic proteins occurs above the LCST. Subsequently, when the temperature is lowered below the LCST, the poly-NIPAAm Knaul expand again to extended polymer chains. Due to the associated extensive loss of the hydrophobic character and the additional spatial reorientation, there is an effective desorption of bound molecules. For desorption, therefore, a slight cooling from a temperature above 32 0 C to a temperature below 32 0 C instead of heating as a temperature control is required. In combination with sorbent materials having polymer chains with LCST characteristics on their surface, the proposed use of a fixed bed column with displaceable, local cooling zone is particularly advantageous.
  • the basic temperature of the system can be set to eg 35 ° C. If a protein mixture is pumped through the column, hydrophobic proteins bind to the sorbent material. If the column is largely loaded, desorption can be achieved by moving a local cooling zone within a narrow range.
  • thermoresponsive sorbents of the aforementioned type since only these show a strong change in their binding properties within a temperature interval of a few degrees. Since the bonding process is usually carried out from aqueous solutions at temperatures in the range of 10 0 C to about 40 0 C, preferably between 20 or 30 and 35 ° C, the extent of possible cooling is significantly limited and for sorbents with conventional temperature dependence of Binding too low. In addition, in conventional sorbents is usually a strengthening of the bond with decreasing temperature.
  • thermoresponsive polymers can be influenced by choice of the polymer and in particular by the synthesis of co-polymers and covers the said range of the usual operating temperatures for a liquid chromatography of aqueous solutions.
  • poly (N-iso-propylacrylamide) pNIPAAM, LCST 32 ° C
  • poly (N, N ') diethylacrylamide) pDEAAM, LCST 33 0 C
  • poly (N- [(2, 2-dimethyl-1,3-dioxolane) methyl] acrylamide) pDMDOMA, LCST 23 ° C
  • co-polymers offer the possibility To change LCST.
  • thermoresponsive sorbents For example, a stepwise transformation of the dioxolane groups of pDMDOMA into diol residues leads to polymers with LCSTs between 23 ° C (0% diol residues) to about 85 ° C (43% diol residues). This makes it possible to adapt the properties of the thermoresponsive sorbents to various applications.
  • thermoresponsive polymers with an LCST point there are also polymers which have an "upper critical solution temperature" or UCST for short These polymers show a compact state at low temperatures and an expansion upon temperature increase via the UCST Examples of these are poly (N-acetylacrylamides ) (pNAcAAm, UCST ca.3O 0 C) or Polyacrylamide (PAAm, UCST ca.l2 ° C).
  • poly (N-acetylacrylamides ) pNAcAAm, UCST ca.3O 0 C) or Polyacrylamide (PAAm, UCST ca.l2 ° C).
  • PAAm Polyacrylamide
  • FIG. 1 a and b each show a side view of a first embodiment for the sorptive separation of substance mixtures in the initial position (a) of the tempering device and in the case of desorption (b),
  • the device of the first embodiment ( Figures Ia and B) comprises a solid bed column 1 formed of sorbent particles filled with a thermoresponsive material as a sorbent.
  • the column has at the beginning of the column 2 an inlet 3 and at the end of the column 4 a flow 5 for a fluid mixture, which is to be separated materially in the column.
  • the drain 5 is connected to a multi-way valve 6, which splits the flow of the separated substances into a product outlet 7 and a residual effluent 8.
  • the cross section of the column between the column beginning and end of the column is preferably constant, more preferably round.
  • a preferably annular Temper michsvorraum 9 is arranged as a temperature control means around the column 1, which is in good thermal contact with the sorption of the thermoresponsive sorbent.
  • the height of the tempering device is substantially lower than the column height, so that only a portion of the sorption surface is tempered at the same time.
  • the Temper michsvortechnisch is axially displaceable to the column via a traversing device 10 in the feed direction (feed 11), preferably via a linear drive (spindle drive, piezo drive).
  • the tempering device is preferably a cooling device for the aforementioned thermoresponsive sorbents of the aforementioned type LCST.
  • the invention also includes, in a second alternative variant, heating devices or heating elements as tempering device for the aforementioned sorbents of the UCST type.
  • the movement device for a relative movement between the column and tempering in general.
  • Tempering agents in particular the heating elements mentioned often have shock-sensitive components such as heating coils. An immobile arrangement of these not only reduces the risk of mechanical impact and thus significantly increases the service life, but reduces the number of moving parts and thus the possible heat losses.
  • a preferred sliding guidance of the tempering device directly on the column outer surface not only serves a reliable tilt-free guidance, but also an improved heat transfer between the column and temperature control device in the effective range.
  • a limitation of the axial heat conduction in the pillar outer surface can be achieved by an optional axial segmentation of these. It serves to concentrate the energy introduced by the tempering agent into the limited immediate area of action of the active tempering agent. A scattering of energy on too large an area in the column is thus avoided, the effective range sharply delimited.
  • the focusing thus serves for a particularly energy-efficient tempering (cooling or heating) of a limited sorption surface portion to a predetermined desorptive temperature, i. the effective range and avoids scattering in axially adjacent areas on the column outer surface.
  • a preferred embodiment provides an intermeshing thread on the column surface and heating element.
  • the thread flanks increase as intermeshing cooling fins the heat transfer surface.
  • An adjusting device for this embodiment for example, by relative rotation of column and tempering means similar to a nut on a thread.
  • Another embodiment provides interlocking axial ribs on the column surface and tempering device as enlarging the heat transfer surface.
  • Fig. Ia shows the first embodiment in the starting position.
  • the tempering device 9 (tempering means) is initially switched off at the beginning of the column 2 in the region of the inlet 3, ie the solid
  • the bed of sorbent particles is operated as a normal sorption stage at a first temperature Ti.
  • the fluid mixture flows through the bed of the sorbent particles in the column 1 at a velocity Vo, whereby the sorbent binds to the sorbent surface of the sorbent bed. This is maintained until a point in time at which the loading front has approached the procedure except for a defined empirically or computationally determined distance.
  • the tempering 9 is turned on and the effective range of Temper istsvortechnisch at a speed v H moved up (feed 13).
  • the temperature changes to a value T 2 , at which the bound sorptive elutes again, ie desorbed again from the tempered, ie preferably cooled, sorption surface (in the case of the LCST).
  • the tempering device moves synchronously with the flow of the fluid mixture in the column in the direction of the flow.
  • the feed rate v H corresponds to the flow velocity of vo. This also reduces the amount of mixture to be tempered and thus the energy required for elution (desorption). Due to the agreement between the feed of the tempering agent and the flow velocity, the same liquid compartment is always within the range of influence of the tempering agent, so that after initial heating the tempering agent only has to compensate for the losses due to heat conduction to the sorbent and the column wall. In addition, the concentration of the desorbed sorptive is increased by the reduction of the volume of the heated liquid compartment.
  • the flow overtakes the tempering device.
  • the flow with portions of the eluted sorptive above and above the tempering device, returns to original temperature sorption areas, resulting in re-sorption of the same sorbent. If the tempering device reaches this area a little later, it will desorb again.
  • the amount of sorptive eluted in this case adds up to the sorptive continuously added via the inlet. Repeated succession of this process leads, on the one hand, to the effective separation of substances with different temperature dependence of the sorption equilibrium and, on the other hand, to the formation of a maximum of the sorptive concentration which the tempering device drives through the column and which thus finally appears at the outlet of the column.
  • the energy supply required to achieve these frequent sorption and desorption processes is minimized by the local limitation of the temperature control to the area of the tempering device in the aforementioned manner.
  • the feed rate v H is between 10 and 110%, more preferably between 30 and 105%, more preferably between 50 and 100% of the flow velocity of vo.
  • the aforementioned method allows a continuous feed of fluid mixtures in the column, wherein the eluted sorptive on Column sequence occurs cyclically and in concentrated form and is directed by means of the multi-way valve 6 in the product flow 7.
  • FIG. 2 shows an embodiment in which a second preferably annular tempering device 11 is placed on the annular tempering device 9 in the tempering means and is connected upstream during operation.
  • the second tempering device is a heating element.
  • the tempering device is a heating element
  • the second tempering device is a cooling element.
  • the effective range of the (first) tempering device extends, as in the aforementioned embodiment, to the surface of the sorption surface of the fixed bed column, at which desorption takes place. The effective range is detected in the examples mentioned by the tempering device and corresponds in a first approximation to the area covered by the (first) tempering device (not by the second tempering device) surface area on the fixed bed column.
  • a heat insulation 12 arranged between them is provided.
  • the second tempering device serves the exact temperature control before desorption and prevents in particular a premature desorption. As a result, the selectivity of the desorption peaks in the process is significantly increased.
  • a separation of the sorbent in the product flow 7 by switching the multi-way valve 6 can be carried out much more precisely, which significantly improves a distinct separation.
  • the fixed bed column and its supply and discharge lines of the embodiment shown in Figure 3 correspond in basic construction to those of the aforementioned embodiments.
  • this embodiment has a fixed on the fixed bed column and non-movable tempering device 14 with a plurality, in the example four fixed and separately controllable (activatable and decatable) Temper istssegmenten 15.
  • Tempering segments firmly seated on the fixed-bed column are distinguished from the above-mentioned relative tivbeweglichen Temper michsvorraum characterized in that the heat transfer surfaces between the column and tempering are not movable and thus heat loss by displaceable parts or heat insulation by relatively poor heat conducting sliding surfaces does not take place and consequently a better and thus faster heat coupling between Temper michsvortechnisch and Soprtions- is feasible ,
  • the active region extends in each case to the region of the sorption surface below the active tempering segments. It is envisaged that in each case only one or two Temper michssegmente are active at the same time and the remaining Temper michssegmente are not active.
  • the means for a displacement of the effective range over the entire sorption surface include a control 16 of the Temper michssegmente 15. By a segment-wise switching through the Temper michssegmente by these means, a shift of the effective range, starting at the beginning of the column towards the end of the column.
  • the tempering in particular the second Temper istssegmente 15 (depending on the design cooling or heating segments) not set up on the fixed bed column 1, but, for example. as electrical heating coils (as heating segments) or cooling channels (as cooling segments) in their interior, i. e. to embed in the bed of the sorbent.

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Abstract

Vorrichtung zur sorptiven Trennung von flüssigen Stoffgemischen, umfassend eine mit einem thermoresponsivem Sorbens mit einer Sorptionsoberfläche für Sorptive aus den Stoffgemischen gefüllten Festbettsäule (1) mit Zu- und Ablauf (3, 5) für die Stoffgemische sowie einem Temperierungsmittel (9) zur Temperierung der Sorptionsoberfläche. Die Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung mit geringem Energieaufwand und maximaler Aufkonzentrierung einer Zielkomponente vorzuschlagen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Temperierungsmittel nur einen Teil der Sorptions-oberfläche zugleich überdecken sowie die Temperierungsmittel eine Verfahrvorrichtung (10) über die Erstreckung der gesamten Sorptionsoberfläche aufweisen, wobei die Vorschubgeschwindigkeit der Verfahrvorrichtung auf die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Stoffgemischs abgestimmt ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur sorptiven Trennung von Stoffgemischen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur sop- tiven Trennung von Stoffgemischen, insbesondere flüssigen Stoffgemischen gemäß dem ersten und elften Patentanspruch.
In der chemischen und biotechnologischen Industrie besteht grundsätzlich ein Bedarf an Sorptionsprozessen hoher Effizienz, insbesondere im Hinblick auf deren Produktivität und Nachhaltigkeit.
Für diesen Zweck weit verbreitet ist die zyklisch betriebene Sorption in Festbettschüttungen mit partikulären Sorbentien im Größenbereich von ca. 2 bis 1000 μm. Hierbei liegen die Sorbentien zunächst unbela- denen bzw. mit einer geeigneten Ausgangsbeladung vor. Wird das Festbett nun mit der zu behandelnden Lösung durchströmt kommt es zu einem Sorptionsvorgang, bei dem ursprünglich gelöst vorliegende Substanzen (Sorptive) sich an das Sorbens binden. Im Falle eines Ionenaustauschs geht dabei eine in Bezug auf die elektrische Ladung äquivalente Menge einer anderen Substanz in Lösung über. Im Laufe des Sorptionsvorgangs kommt es bis zu einer maximalen Beladung zu einer zunehmenden Anreicherung von Sorptiven an die Sorbenspartikel und damit zu einer Ausbildung einer Beladungsfront, die durch das Festbett wandert. Erscheint die Beladungsfront am Ablauf des Festbetts kommt es zu einer Durchströmung von Sorptiven durch die Festbettschüttung ohne nennenswerte Sorption. Der Zulauf von Sorptiven durch das Festbett muss gestoppt werden.
Der vorgenannten Sorption folgt ein Elutionsschritt, beim dem das gebundene Sorptiv möglichst quantitativ, d.h. vollständig wieder von den Sorbenspartikeln der Schüttung entfernt wird. Als Elutionssub- stanzen dienen z.B. stark salzhaltige Medien, konzentrierte Sauren, Laugen oder organische Lösungsmittel. Die genannten Elutionssubstan- zen verursachen jedoch nicht unerhebliche Kosten, sowohl bei der Anschaffung als auch in der Entsorgung.
Bei biotechnologischen Anwendungen stellen die Elutionslösungen oft ein Wertprodukt dar, das die Zielsubstanz in gereinigter und konzent-
BESTÄTlGÜNGSKOfrife rierter Form enthält. Zur Unterstützung der Elutionen zugegebene Substanzen wie Salze oder auch Imidazol oder Isopropanol müssen jedoch vor einer weiteren Reinigung oftmals aufwendig durch z.B. Membranverfahren oder Gelfiltration wieder entfernt werden. Ein kontinuierlich ablaufender Sorptionsprozess ist daher nicht realisierbar.
Ein Sorptionsprozess muss im technischen Maßstab über eine Möglichkeit zur reversiblen Sorption/Desorption von Substanzen verfügen. Hierbei sind chemische Elutions- oder Regenerationssubstanzen aus vorgenannten Gründen zu vermeiden. Alternative Möglichkeiten zum Umschalten zwischen Sorption und Desorption bietet der Einsatz physikalischer Einflussgrößen, wie insbesondere Druck oder Temperatur. Eine Druckänderung hat jedoch nur einen begrenzten Einfluss auf das Sorptionsgleichgewicht in Flüssigkeiten, so dass eine technische Nutzung dieses Effekts bisher nicht aussichtsreich erscheint. Dagegen wirken Temperaturände-rungen sowohl in Gasen als auch in Flüssigkeiten mehr oder minder ausgeprägt auf die Sorption von Substanzen an festen Sor- bentien.
Beispielsweise offenbart [1] zyklische Sorptionsprozesse unter Einsatz eines Temperaturwechsels als treibende Kraft für die Elution zur partiellen Wasserentsalzung. Dabei kommen Ionenaustauscherharze zum Einsatz .
Ferner wird in [2] ein auf Temperaturvariationen basierender, Sorptionsprozess, das sog. parametrische Pumpen beschrieben. Hierbei wird eine Lösung mit einem Substanzgemisch in zwei Kompartimente aufgeteilt, diese auf zwei unterschiedliche Temperaturniveaus gebracht und wiederholt mit der gleichen Sorbensmenge in Kontakt gebracht. Dabei kommt es zu einer schrittweisen Trennung der Substanzen. Aufgrund der benötigten hohen Anzahl an Temperaturzyklen favorisiert sich der Pro- zess jedoch nicht für den technischen Maßstab.
Den grundlegenden Vorteilen von temperaturinduzierten Elutions- bzw. Regenerationsverfahren von Sorptionsprozessen im Hinblick auf anfallende Chemikalien- und Entsorgungskosten stehen bei einer industrielle Umsetzung zwei Problematiken entgegen. Einerseits ist der Unterschied in der Temperaturabhängigkeit der Sorptionsgleichgewichte verschiedener Substanzen oft nur sehr gering ausgeprägt, so dass eine effektive Trennung mehrfache Sorptions- und Desorptionsvorgänge und damit einen erhöhten Zeitaufwand und/oder vielfache Temperaturänderungen erfordern. Insbesondere größere Tempe¬ raturänderungen sind bei thermosensiblen gasförmigen oder auch flüssigen Stoffgemischen, die oftmals nur in einem bestimmten Temperaturfenster stabil sind, nicht tolerierbar. Auch erfordert jede Erwärmung und Abkühlung größerer Flüssigkeitsvolumen einen erheblichen Energieaufwand.
Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur sorptiven Trennung von flüssigen Stoffgemischen mit einem temperaturinduzierten Sorptions- und Desorp- tionsprozess mit geringem Energieaufwand und maximaler Aufkonzentrierung einer Zielkomponente vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch einer Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Die auf diese rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
Die Grundidee der Erfindung liegt darin, die für eine temperaturabhängige Desorption zuzuführende Energie nicht auf die gesamte Sorptionsfläche der Sorbentien zugleich zuzuführen. Vielmehr werden Temperierungsmittel vorgeschlagen, die nur auf einen Teil der Sorptionsfläche einwirken. Der Wirkbereich der Temperierungsmittel, d.h. der Bereich auf der Sorptionsfläche, auf dem eine Temperierung durch die Temperierungsmittel stattfindet, umfasst somit nur einen Teil der Sorptionsfläche .
Um danach eine temperaturabhängige Sorption und Desorption von Sorptiven auf der gesamten Sorptionsfläche auf den Sorbentien sicherzustellen, wird die Möglichkeit der seriellen Einwirkung des Wirkbereichs der genannten Temperierungsmittel auf die gesamte Sorptionsfläche vorgesehen. Hierfür sind Mittel für eine Verschiebung des Wirkbereichs über die gesamte Sorptionsoberfläche vorgesehen. Der Wirkbereich wird vorzugsweise zyklisch, d.h. nach einem festgelegten AblaufSchema wiederkehrend über die Erstreckung der gesamten Sorptionsfläche bewegt. Dies ermöglicht beispielsweise eine zyklisch wiederkehrende serielle Sorption und/ oder Desorption auf die gesamte Sorptionsfläche .
Bei einem seriellen Temperieren der Sorptionsfläche und damit der Sorbentien wird die Temperatur nur im Einflussbereich des Temperierungsmittel, d.h. im Wirkbereich durch dieses unmittelbar temperiert, d.h. mit einer Temperaturänderung beaufschlagt. Allerdings erfolgt dabei eine Beeinflussung der Temperierung durch Wärmeübertragung innerhalb der thermoresponsiven Sorbentien sowie durch die umgebende Flüssigkeit.. Eine Wärmeübertragung erfolgt stets bei Wärmegradienten. Sie bewirkt z.B. nach einer für eine Desorption erfolgten Aufheizung eine beschleunigte Wiederabkühlung eines für eine Desorption aufgeheizten Teils der Festbettsäule durch umgebende Sorbentien und Flüssigkeit. Nach dieser beschleunigten Abkühlung vorzugsweise ohne Einfluss des oder eines weiteren Temperierungsmittels steht dieser Teil ohne eine erneute Zufuhr zusätzlicher Energie sofort wieder für eine erneute Sorption zur Verfügung. Die an das Stoffgemisch abgeleitete Wärme wird aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des Stoffgemisches in Richtung des Ablaufs transportiert und dabei von den umgebenden Sorbentien aufgenommen und muss bei deren Aufheizung nicht mehr von den Temperierungsmittel aufgebracht werden.
Ebenso bewirkt die genannte Wärmeübertragung in einer anderen Ausführungsform mit thermoresponsiven Sorbentien, bei der Sorption bei höheren Temperaturen stattfindet als Desorption, nach einer für eine Desorption erfolgten Abkühlung als Temperierung eine beschleunigte Wiederaufheizung eines für eine Desorption aufgeheizten Teils der Festbettsäule durch die umgebenden Sorbentien und Flüssigkeit.
Ein wesentliches Merkmal betrifft die Verwendung von thermoresponsiven Materialien als Sorbentien. Im Sinne der Erfindung werden unter dem Begriff thermoresponsive Materialien Sorbensmaterialien verstanden, die an ihrer Oberfläche spezielle Polymere gebunden ha- ben, die innerhalb eines engen Temperaturintervalls eine starke Konformationsänderung durchlaufen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung eines thermoresponsiven Sorbens für eine sorptive Trennung von flüssigen Stoffgemischen sind z.B. Partikel mit einer Oberflächenfunktionalisierung aus poly(N- isopropylacrylamid) (poly-NIPAAm) . Unterhalb einer Temperatur von ca. 300C bildet poly-NIPAAm ausgestreckte Polymerketten, oberhalb von Temperaturen von ca.350C dagegen kollabieren die Ketten zu kompakten Knaul, mit ausgeprägten hydrophoben Charakter. Die Übergangstemperatur von ca.32°C wird als LCST (lower critical Solution temperature) bezeichnet .
Die Konformitätsänderung und damit der Übergang von Adsorption zu De- sorption von thermoresponsiven Sorbentien findet in vorteilhafter Weise in einen engen Temperaturbereich, im genannten Fall zwischen 30 und 350C statt. Folglich erstreckt sich der Bereich, in dem eine temperaturinduzierte Sorption/Desportion stattfindet, bei thermoresponsiven Sorbentien nicht auf die bei herkömmlichen Sorbentien bekannten erheblich größeren Temperaturintervalle, die insbesondere bei Gasen 1000C und mehr betragen können. Für eine Einleitung und Durchführung einer Desorption oder einer Sorption sind bei thermoresponsiven Sorbentien nur geringe Temperaturänderungen und damit in vorteilhafter Weise nicht nur ein signifikant reduzierter Energieaufwand, sondern auch ein geringerer Zeitaufwand erforderlich.
Wird ein mit poly-NIPAAm funktionalisiertes Sorbenspartikel in Kontakt mit z.B. einer Proteinlösung gebracht, kommt es oberhalb der LCST zu einer Bindung hydrophober Proteine. Wird anschließend die Temperatur unterhalb die LCST gesenkt, expandieren die poly-NIPAAm Knaul wieder zu ausgestreckten Polymerketten. Durch den damit verbundenen weitgehenden Verlust des hydrophoben Charakters und die zusätzliche räumliche Umorientierung kommt es zu einer effektiven Desorption gebundener Moleküle. Für eine Desorption ist folglich eine geringe Abkühlung von einer Temperatur über 320C auf eine Temperatur unterhalb 320C anstelle einer Aufheizung als Temperierung erforderlich. In Verbindung mit Sorbensmaterialien mit Polymerketten mit LCST- Charakteristik auf ihrer Oberfläche ist der vorgeschlagene Einsatz einer Festbettsäule mit verschiebbarer, lokaler Kühlzone besonders vorteilhaft. Befindet sich die Säule in einer temperaturgeregelten Kammer (Klimakammer) , lässt sich die Grundtemperatur des Systems auf z.B. 35°C einstellen. Wird nun ein Proteingemisch durch die Säule gepumpt, kommt es zu einer Bindung hydrophober Proteine an das Sorbens- material. Ist die Säule weitgehend beladenen kann durch das Verfahren einer lokalen Kühlzone in einem eng begrenzten Bereich eine Desorpti- on erreicht werden.
Der Einsatz einer Abkühlung zum Initiieren der Desorption stellt dabei eine besonders schonende Art der Desorption dar, bei der die Gefahr einer Denaturierung des Produkts z.B. durch Temperaturänderungen sehr gering ist. Im Gegensatz hierzu stellen konventionelle Desorpti- onsmethoden über extreme pH-Werte oder Salzkonzentrationen oftmals eine Gefahr für die biologische Aktivität des Produkts dar, da die räumliche Konformation des Produkts (oftmals ein komplexes Protein) durch Denaturierungsprozesse verändert wird.
Der Einsatz einer effektiven Desorption durch Abkühlung ist nur im Zusammenhang mit thermoresponsiven Sorbentien der vorgenannten Art möglich, da nur diese auch innerhalb eines Temperaturintervalls weniger Grad eine starke Veränderung ihrer Bindungseigenschaften zeigen. Da der Bindungsvorgang in der Regel aus wässrigen Lösungen bei Temperaturen im Bereich von 100C bis ca. 400C, vorzugsweise zwischen 20 oder 30 und 35°C erfolgt, ist das Ausmaß einer möglichen Abkühlung deutlich begrenzt und für Sorbentien mit konventioneller Temperaturabhängigkeit der Bindung zu gering. Zudem erfolgt bei konventionellen Sorbentien in der Regel eine Stärkung der Bindung mit abnehmender Temperatur.
Die LCST-Temperatur thermoresponsiver Polymere lässt sich durch Wahl des Polymers und insbesondere durch die Synthese von Co-Polymeren beeinflussen und deckt den genannten Bereich der üblichen Betriebstemperaturen für eine Flüssigkeitschromatografie wässriger Lösungen ab. Neben poly(N-isoρropylacrylamide) (pNIPAAM, LCST 32°C), poly(N,N'- diethylacrylamide) (pDEAAM, LCST 330C), PoIy (N- [ (2, 2-dimethyl-l, 3- dioxolane)methyl]acrylamide) (pDMDOMA, LCST 23°C) , bieten insbesondere Co-Polymere die Möglichkeit die LCST gezielt zu verändern. So führt z.B. eine stufenweise Umwandlung der Dioxolan-gruppen von pDMDOMA in Diolreste zu Polymeren mit LCSTs zwischen 23°C (0% Diol- reste) bis ca. 85°C (43% Diol-reste) . Hierdurch ist eine Anpassung der Eigenschaften der thermoresponsiven Sorbentien an verschiedene Anwendungsfälle möglich.
Neben thermoresponsiven Polymeren mit einem LCST-Punkt existieren auch Polymere, die eine „upper critical Solution temperature" kurz UCST besitzen. Diese Polymere zeigen einen kompakten Zustand bei tiefen Temperaturen und eine Ausdehnung bei Temperaturerhöhung über den UCST. Beispiele hierfür sind poly (N-acetylacrylamide) (pNAcAAm, UCST ca.3O0C) oder Polyacrylamide (pAAm, UCST ca.l2°C). Bei der Verwendung eines Sorbens mit UCST ist wie für herkömmliche Sorbentien für eine Desorption eine Erwärmung der Sorptionsfläche erforderlich, während die Sorptionstemperatur darunter liegt. Jedoch ist die zwischen De- sortpion und Sorption erforderliche Temperaturänderungen wie bei Sorbentien mit LCST sehr gering. In diesem Fall ist ein Heizelement als Temperierungsmittel erforderlich .
Zur Vermeidung einer Verschleppung von Verunreinigungen aus dem Zulauf in den desorbierten Konzentrationspeak der Zielsubstanz besteht die Möglichkeit, die Säule zu Beginn des Desorptionsvorgangs für eine vorgegebenen Betriebszeit mit einer Spüllösung, die keine Verunreinigungen enthält, zu beaufschlagen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsformen mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. Ia und b jeweils eine Seitenansicht einer ersten Ausführung zur sorptiven Trennung von Stoffgemischen in Grundstellung (a) der Temperierungsvorrichtung sowie bei ablaufender Desorption (b) ,
Fig.2 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführung mit einem zusätzlichen zweiten Temperierungsmittelmit einer Isolierschicht sowie Fig.3 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform.
Die Vorrichtung der ersten Ausführungsform (Fig. Ia und b) umfasst eine aus Sorbenspartikeln gebildete Festbettsäule 1, die mit einem thermoresponsiven Material als Sorbens gefüllt ist. Die Säule weist am Säulenanfang 2 einen Zulauf 3 sowie am Säulenende 4 einen Ablauf 5 für ein fluides Stoffgemisch auf, das in der Säule stofflich aufgetrennt werden soll. Der Ablauf 5 ist an ein Mehrwegeventil 6 angeschlossen, die den Strom der aufgetrennten Substanzen in einen Produktablauf 7 und einem Reststoffablauf 8 aufspaltet. Der Querschnitt der Säule zwischen Säulenanfang und Säulenende ist vorzugsweise gleich bleibend, weiter bevorzugt rund.
Weiterhin ist um die Säule 1 eine vorzugsweise ringförmige Temperierungsvorrichtung 9 als Temperierungsmittel angeordnet, das in guten Wärmekontakt mit der Sorptionsoberfläche des thermoresponsivem Sorbens steht. Die Höhe der Temperierungsvorrichtung ist wesentlich geringer als die Säulenhöhe, sodass jeweils nur ein Teil der Sorptionsoberfläche zugleich temperierbar ist. Die Temperierungsvorrichtung ist axial zur Säule über eine Verfahrvorrichtung 10 in Vorschubrichtung (Vorschub 11) verschiebbar, vorzugsweise über einen Linearantrieb (Spindelantrieb, Piezoantrieb) .
Die Temperierungsvorrichtung ist vorzugsweise eine Kühlvorrichtung für die vorgenannten thermoresponsiven Sorbentien des vorgenannten Typs LCST. Die Erfindung umfasst aber auch in einer zweiten alternativen Variante Heizvorrichtungen oder Heizelemente als Temperierungsvorrichtung für vorgenannte Sorbentien des Typs UCST.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Verfahrvorrichtung für eine Relativbewegung zwischen Säule und Temperierungsmittel allgemein vorzusehen. Dies umfasst sowohl eine Ausführung mit feststehenden Temperierungsmittel und beweglicher Säule oder sowohl beweglicher Säule als auch beweglichen Temperierungsmitteln. Temperierungsmittel, insbesondere die erwähnten Heizelemente weisen oftmals schockempfindli- che Komponenten wie Heizwendeln auf. Eine immobile Anordnung dieser reduziert folglich nicht nur die Gefahr von mechanischer Einwirkung und erhöht damit die Lebensdauer signifikant, sondern reduziert die Anzahl beweglicher Teile und damit der möglichen Wärmeverluste.
Eine bevorzugte gleitende Führung der Temperierungsvorrichtung direkt auf der Säulenaußenoberflache dient nicht nur einer zuverlässigen verkantungsfreien Führung, sondern auch einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen Säule und Temperierungsvorrichtung im Wirkbereich.
Eine Begrenzung der axialen Wärmeleitung in der Säulenaußenoberflache ist durch eine optionale axiale Segmentierung derjenigen erzielbar. Sie dient der Konzentrierung der durch das Temperierungsmittel eingebrachten Energie in den begrenzten unmittelbaren Einwirkbereich des aktiven Temperierungsmittels. Eine Streuung der Energie auf einen zu großen Bereich in der Säule wird damit vermieden, der Wirkbereich schärfer abgegrenzt. Die Fokussierung dient damit einer besonders e- nergieeffizienten Temperierung (Abkühlung oder Aufheizung) eines begrenzten Sorptionsoberflächenanteils auf eine vorgegebene Desorpti- onstemperatur, d.h. des Wirkbereichs und vermeidet eine Streuung in axial angrenzende Bereiche über die Säulenaußenoberflache .
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht ein ineinandergreifendes Gewinde auf Säulenoberfläche und Heizelement vor. Die Gewindeflanken vergrößern dabei wie ineinandergreifende Kühlrippen die Wärmeübertragungsfläche. Eine Verstellvorrichtung für diese Ausführungsform erfolgt beispielsweise durch Relativverdrehung von Säule und Temperierungsmittel ähnlich einer Schraubenmutter auf einem Gewinde.
Eine weitere Ausführungsform sieht ineinander greifende axiale Rippen auf Säulenoberfläche und Temperierungsvorrichtung als Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche vor.
Fig. Ia zeigt die erste Ausführungsform in Ausgangsposition. Die Temperierungsvorrichtung 9 (Temperierungsmittel) ist zunächst ausgeschaltet am Säulenanfang 2 im Bereich des Zulaufs 3, d.h. das Fest- bett aus Sorbenspartikeln wird als normale Sorptionsstufe bei einer ersten Temperatur Ti betrieben. Dabei durchströmt das fluide Stoffge- misch die Schüttung der Sorbenspartikel in der Säule 1 mit einer Geschwindigkeit Vo, wobei das Sorptiv sich an die Sorptionsfläche der Sorbensschüttung bindet. Dies wird bis zu einem Zeitpunkt beibehalten, an dem sich die Beladungsfront bis auf einen definierten empirisch oder rechnerisch ermittelten Abstand dem Ablauf genähert hat. Zu diesem Zeitpunkt wird die Temperierungsvorrichtung 9 eingeschaltet und der Wirkbereich der Temperierungsvorrichtung mit einer Geschwindigkeit vH nach oben verfahren (Vorschub 13) . Im eng begrenzten Bereich der Temperierungsvorrichtung ändert sich die Temperatur auf einen Wert T2, bei dem das gebundene Sorptiv wieder eluiert, d.h. von der temperierten, d.h. vorzugsweise abgekühlten Sorptionsfläche (im Falle des LCST) wieder desorbiert. Durch eine Abstimmung der Geschwindigkeiten Vo und vH lassen sich nun für verschiedene Anwendungsfälle optimierte Betriebsbedingungen erreichen.
Für den Fall v0 = vH bewegt sich die Temperierungsvorrichtung synchron mit der Durchströmung des fluiden Stoffgemisches in der Säule in Richtung des Ablaufs. Die Vorschubgeschwindigkeit vH entspricht dabei der Strömungsgeschwindigkeit vo. Auch hierdurch wird die Menge an dem zu temperierenden Stoffgemisch und somit der Energiebedarf für die Elution (Desorption) reduziert. Aufgrund der Überseinstimmung zwischen Vorschub des Temperierungsmittels uns Strömungsgeschwindigkeit befindet sich immer das gleiche Flüssigkeitskompartiment im Einflussbereich des Temperierungsmittel, sodass nach anfänglicher Erwärmung das Temperierungsmittel nur noch die Verluste durch Wärmeleitung an das Sorbens und die Säulenwand ausgleichen muss. Zusätzlich wird die Aufkonzentrierung des desorbierten Sorptivs durch die Reduzierung des Volumens des erwärmten Flüssigkeitskompartiments erhöht.
Für den Fall vH < Vo überholt die Strömung die Temperierungsvorrichtung. Die Strömunggelangt mit Anteilen des eluierten Sorptivs o- berhalb der Temperierungsvorrichtung wieder in Sorptionsbereiche mit ursprünglicher Temperatur, wodurch es zu einer erneuten Sorption derselben Sorptive kommt. Erreicht die Temperierungsvorrichtung etwas verzögert diesen Bereich, kommt es zu einer erneuten Desorption. Die dabei eluierte Sorptivmenge summiert sich zu dem über den Zulauf kontinuierlich weiter zugefügten Sorptiv auf. Durch wiederholte Abfolge dieser Vorgange kommt es zum einen zur effektiven Trennung von Substanzen mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit des Sorptionsgleichgewichts und zum anderen zur Ausbildung eines Maximums der Sorptivkonzentration, den die Temperierungsvorrichtung durch die Säule treibt und der somit schließlich am Ablauf der Säule erscheint. Die zum Erreichen dieser häufigen Sorptions- und Desorptionsvorgänge benötigte Energiezufuhr ist dabei durch die lokale Beschränkung der Temperierung auf den Bereich der Temperierungsvorrichtung in vorgenannter Weise minimiert.
Vorzugsweise liegt die Vorschubgeschwindigkeit vH zwischen 10 und 110%, weiter bevorzugt zwischen 30 und 105%, weiter bevorzugt zwischen 50 und 100% der Strömungsgeschwindigkeit vo.
Die Bereiche, die die Temperierungsvorrichtung bereits hinter sich gelassen hat, sind weitgehend vom Sorpiv befreit. Dieser (untere) Bereich der Säule steht dann sofort für eine erneute Sorption mit kontinuierlich zuströmenden Sorptiv aus dem Zulauf zur Verfügung, wahrend sich im oberen Bereich der Säule durch die Vorwärtsbewegung der Temperierungsvorrichtung ein Elutionspeak aufbaut.
Wenn die Temperierungsvorrichtung 9 und somit der Elutionspeak das Säulenende 4 am Ablauf 5 erreicht (vgl. Fig. Ib), wird dieser durch Umschalten des Mehrwegeventils 6 einem separaten Produktablauf 7 zugeführt. Die Energiezufuhr der Temperierungsvorrichtung wird mit Erreichen des Säulenendes ausgeschaltet und nach thermischer Anpassung an die Umgebung, d.h. Erwärmung (Kühlvorrichtung) bzw. Abkühlen (Heizvorrichtung) an den Säulenanfang 2 (vgl. Fig. Ia und 2) zurück verfahren. In dieser Position verbleibt die Temperierungsvorrichtung bis die Beladungsfront wiederum die Nähe des Säulenablaufs erreicht, dessen Überschreiten einen erneuten Durchlauf des Verfahrens (Eluti- onsvorgang) initiiert.
Das vorgenannte Verfahren ermöglicht einen kontinuierlichen Zulauf an fluiden Stoffgemischen in die Säule, wobei das eluierte Sorptiv am Säulenablauf zyklisch und in konzentrierter Form auftritt und mittels dem Mehrwegeventil 6 in den Produktablauf 7 geleitet wird.
Fig.2 gibt eine Ausführungsform wieder, bei dem im Temperierungsmittel eine zweite bevorzugt ringförmige Temperierungsvorrichtung 11 auf die ringförmige Temperierungsvorrichtung 9 aufgesetzt und im Betrieb vorgeschaltet ist. Ist die Temperierungsvorrichtung - wie bevorzugt - ein Kühlelement, ist die zweite Temperierungsvorrichtung ein Heizelement. Andrerseits ist die Temperierungsvorrichtung ein Heizelement, ist die zweite Temperierungsvorrichtung ein Kühlelement. Der Wirkbereich der (ersten) Temperierungsvorrichtung erstreckt sich wie im vorgenannten Ausführungsbeispiel auf die Fläche der Sorptionsoberfläche der Festbettsäule, bei der Desorption stattfindet. Der Wirkbereich wird in den genannten Beispielen von der Temperierungsvorrichtung erfasst und entspricht in erster Näherung dem von der (ersten) Temperierungsvorrichtung (nicht von der zweiten Temperierungsvorrichtung) überdeckten Flächenbereich auf der Festbettsäule. Zur Reduzierung von unerwünschter Wärmeübertragung von der Temperierungsvorrichtung zur zweiten Temperierungsvorrichtung ist eine zwischen diesen angeordnete Wärmeisolierung 12 vorgesehen. Die zweite Temperierungsvorrichtung dient der exakten Temperaturführung vor der Desorption und verhindert dabei insbesondere eine vorzeitige Desorption. Dadurch wird die Trennschärfe der Desorptionspeaks im Ablauf signifikant erhöht. Eine Abtrennung der Sorbtive in den Produktablauf 7 durch Umschaltung des Mehrwegeventil 6 kann wesentlich exakter erfolgen, was eine sortenreine Abtrennung signifikant verbessert.
Die Festbettsäule sowie dessen Zu- und Ableitungen des in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispieles entsprechen im Grundaufbau denen der vorgenannten Ausführungsformen. Anstelle einer auf der Festbettsäule relativ verfahrbaren Temperiervorrichtung weist dieses Ausführungsbeispiel eine auf der Festbettsäule fixierte und nicht bewegbare Temperierungsvorrichtung 14 mit mehreren, im Beispiel vier fix angeordneten und separat ansteuerbaren (aktivier- und dekativierbaren) Temperierungssegmenten 15 auf. Fest auf der Festbettsäule aufsitzende Temperierungssegmente zeichnen sich gegenüber den vorgenannten rela- tivbeweglichen Temperierungsvorrichtung dadurch aus, dass die Wärme- übertragungsflachen zwischen Säule und Temperierelement nicht beweglich sind und damit ein Wärmeverlust durch verschiebare Teile oder eine Wärmeisolierung durch relativ schlecht wärmeleitende Gleitflächen nicht stattfindet und folglich eine bessere und damit schnellere Wärmeankopplung zwischen Temperierungsvorrichtung und Soprtions- flachen realisierbar ist.
Der Wirkbereich erstreckt sich in der letztgenannten Ausführungsform jeweils auf den Bereich der Sorptionsoberfläche unterhalb der aktiven Temperierungssegmente. Es ist vorgesehen, dass jeweils nur ein oder zwei Temperierungssegmente zugleich aktiv sind und die verbleibenden Temperierungssegmente nicht aktiv sind. Die Mittel für eine Verschiebung des Wirkbereichs über die gesamte Sorptionsoberfläche umfassen eine Ansteuerung 16 der Temperierungssegmente 15. Durch ein segmentweises Durchschalten der Temperierungssegmente durch diese Mittel erfolgt eine Verschiebung des Wirkbereichs beginnend am Säulenanfang hin zum Säulenende.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Temperierungsvorrichtung, insbesondere die zweiten Temperierungssegmente 15 (je nach Ausführung Kühl- oder Heizsegmente) nicht auf die Festbettsäule 1 aufzusetzen, sondern z.B. als elektrische Heizwendeln (als Heizsegmente) oder Kühlkanäle (als Kühlsegmente) im deren Innern zu integrieren, d.h. in der Schüttung des Sorbens einzubetten.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine oder mehrere mit einem Temperierungsfluid durchströmbare Fluidleitungswendeln vom Säulenanfang zum Säulenende anzuordnen. Das segmentweise Verfahren des temperierten, d.h. gekühlten oder erhitzten Wirkbereichs erfolgt durch eine Durchströmung der Fluidströmungswendeln mit einer temperierten Fluidmenge, wobei die Durchströmungsgeschwindigkeit die Verfahrgeschwindigkeit vorgibt. Literatur
[1] US 4.378.439
[2] R.H.Wilhelm, A.W.Rice, A. R. Bendelius : Parametric Pumping: A Dynamic Principle for Separating Fluid Mixtures: I&EC Fundamental, Vol.5 (1966) pp.141-144
Bezugszeichenliste
1 Festbettsäule
2 Säulenanfang
3 Zulauf
4 Säulenende
5 Ablauf
6 Mehrwegeventil
7 Produktablauf
8 Reststoffablauf
9 TemperierungsVorrichtung
10 Verfahrvorrichtung
11 Vorschub
11 zweite Temperierungsvorrichtung
12 Wärmeisolierung
13 Vorschub

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur sorptiven Trennung von flüssigen Stoffgemischen, umfassend a) eine mit einem thermoresponsiven Sorbens mit einer Sorptionsoberfläche für Sorptive aus den Stoffgemischen gefüllten Festbettsäule (1) mit Zu- und Ablauf (3, 5) für die Stoffgemische sowie b) einem Temperierungsmittel (9, 11, 12) zur Erwärmung eines Wirkbereichs auf der Sorptionsoberfläche, wobei c) der Wirkbereich sich selektiv nur über einen Teil der Sorptionsoberfläche zugleich erstreckt sowie d) Mittel für eine Verschiebung mit einer Vorschubgeschwindigkeit des Wirkbereichs über die gesamte Sorptionsoberfläche vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel für eine Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit des Stoffgemisches durch die Festbettsäule vorgesehen sind, wobei die Strömungsgeschwindigkeit größer oder gleich der Vorschubgeschwindigkeit und ein Eingangssignal der Mittel für eine Verschiebung ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungsmittel eine Kühlvorrichtung
(9) umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel mindestens eine Verfahrvorrichtung
(10) für die Temperiervorrichtung und/oder die Festbettsäule umfassen.
5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungsmittel (10) ein um die Festbettsäule angeordnetes und axial relativ zu dieser verschiebbares ringförmiges Element umfasst.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das E- lement ein ringförmiges zweites Temperierungsmittel (11) mit einer Isolierschicht (12) als Teil des Temperierungsmittel umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (10) einen Linearantrieb mit einer axial zur Säule orientierten Vorschubrichtung aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoresponsive Sorbens als Parti- kelschüttung, stabilisierte Wirbelschicht oder offenporiger Monolith ausgeführt ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilschaltung (6) für eine Umleitung von desorbierten Substanzen in einen Produktablauf (7) am Ablauf vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche umfassend eine Klimakammer für die Festbettsäule und die Temperierungsmittel.
11. Verfahren zur sorptiven Trennung von flüssigen Stoffgemischen, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Durchleitung der Stoffgemische über den Zu- zum Ablauf (3, 5) zu einer mit einem thermoresponsivem Sorbens mit einer Sorptionsoberfläche für Sorptive aus den Stoffgemischen gefüllten Festbettsäule (1) für die Stoffgemische, wobei sich in dieser eine Strömungsgeschwindigkeit ausbildet und wodurch es zu einer Sorption von Sorptiven aus den Stoffgemischen an der Sorptionsoberfläche kommt, b) Einschalten eines Temperierungsmittel (9, 11, 12) in Ausgangsposition am Zulauf, wobei ein Wirkbereich auf der Sorptionsoberfläche im Bereich des Zulaufs temperiert wird und die Sorptive im Wirkbereich dadurch desorbieren, c) Verfahren des Wirkbereichs mit einer Vorschubgeschwindigkeit in Richtung des Ablaufs, wobei die gesamte Sorptionsoberfläche seriell temperiert und die Sorptive dort desorbiert werden, wobei die Sorptive in Richtung des Ablaufs (5) transportiert und über einen Produktablauf (7) ausgeschleust werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Wirkbereichs durch mechanisches Verfahren der Temperiermittel und/oder der Festbettsäule erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit zwischen 10 und 110% der Strömungsgeschwindigkeit liegt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungsmittel (9, 11, 12) nach Erreichen des Ablaufs (5) ohne Unterbrechung der Durchleitung deaktiviert sowie in Ausgangsposition zurückgefahren wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungsmittel in Ausgangsposition bis zu einem erneuten Beginn des Verfahrens solange verharrt, bis durch die im Zulauf vorhandenen Stoffe sich eine erneute Beladung des Sorbens durch das Stoffgemisch ergibt.
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